第二节　管道水头损失计算原理

一、管道水头损失的组成

根据能量平衡原理，灌溉水在管道内流动过程中，为克服阻力，不可避免地消耗部分能量，称之为摩阻能量损失，若以测压管水柱高度表示摩阻能量损失，则称为水头损失。通常情况下，管道内水流的水头损失由沿程摩擦水头损失和局部阻力水头损失两部分组成。前者是水流在平顺均匀流动中克服水流与管壁之间或流层之间的摩擦阻力，产生的能量损失；后者是因水流断面大小和形状、方向等的改变克服阻力产生的能量损失。式（5-1）表达了喷微灌系统管道能量损失的组成。

二、沿程水头损失计算方法

（一）沿程水头损失计算公式

沿程水头损失ΔHf计算公式通常用达西式（5-2）表示：

（二）沿程水力摩阻系数分析

由式（5-2）可知，对于一条（一段）特定的管道，要计算它的沿程水头损失ΔHf，关键是确定沿程水力摩擦系数λ。实验表明，由于管道的边界粗糙度和管内流速不同，出现不同流态，其沿程水力摩阻系数不同。水力学用一个称为雷诺数的无量纲综合指标判别压力管道水流流态：

为破解λ与Re的关系，尼古拉兹用人工模拟内壁粗糙度不同的管道做实验，整理成图5-4。

图中（管道内壁绝对粗糙度与内径之比）称为相对粗糙度。由图5-4分析，可得到λ值随水流状态变化规律：

（1）Re＜2000时（Ⅰ区），水流为层流，λ只与Re有关，λ随Re增大几乎线性地减小。

（2）2000＜Re＜4000（Ⅱ区），水流为从层流变为紊流的过渡区，λ的变化基本只受Re控制，此区范围很小，实用上意义不大。

（3）Re＞4000时，水流处于紊流状态，此区λ的变化不仅受Re的影响，还受管壁相对粗糙度的制约，又可分成三种情况。

①当Re较小时，不同相对粗糙度管道的实验点大致都落在直线Ⅲ上，此时的水流状态称为光滑管紊流。因为此时流速还不足以带动覆盖管壁上的层流边界层，形成流层间相对“光滑”的摩擦流动。

②当Re加大，不同粗糙度管道λ与Re的关系自成曲线，，为紊流粗糙区的过渡区。因为随着流速的增大，层流边界层变薄，Δ开始突露出层流边界层，阻碍水流运动，故λ不仅受Re的影响，而且受的控制（Ⅵ区）。

③当Re增大，越过Ⅳ区进入Ⅴ区后，不同相对粗糙度管道λ与Re的关系各自成水平线，反映出λ与Re无关，而只取决于，由式（5-2）可知ΔHf∝V2，因而Ⅳ区称为阻力平方区。这是因为该区流速足以完全破坏层流边界层，λ的大小主要受管壁粗糙度产生的边界小旋涡支配。

（三）沿程水头损失计算实用公式

上述式（5-2）和式（5-3）为计算管道沿程水头损失提供了理论依据和思路，水力学研究提供了不同流态的各种理论和经验公式。在实践中，人们总结提出适用喷微灌系统管道沿程水头损失的计算公式，这些公式在长期使用中证明是可靠的。

大量实践表明，喷微灌系统的管道内水流大多处于紊流粗糙区的过渡区。为使用方便，将式（5-2）中的流速V以流量代替，则可改写成式（5-4）：

三、局部水头损失计算

水在管道内流动过程中，由于管道过水横断面尺寸、形状，或流动方向的改变，引起水流结构和流速变化，产生质点和局部漩涡相对运动的摩擦，引起能量损失。这种能量损失产生于局部范围，水力学称之为局部水头损失。

局部水头损失由式（5-5）表达。

由式（5-5）可知，计算局部水头损失，关键是确定局部水头损失系数。根据大量实验，得到管道局部水头损失系数ζ值见表5-3，可供计算时查用。

四、管道水头损失计算的实用方法

喷微灌系统管道水头损失中，局部水头损失所占比例一般只占很小比例，而且在多数情况下局部水头损失很难准确计算，为减小计算工作量，常常可采用一个局部损失加大系数K计算管道水头损失，则管道水头损失式（5-6）可表达成：

其余符号意义同前。